KR20170035938A - 전하 저장 장치를 테스트하기 위한 측정 기기 - Google Patents

Abstract

복수의 전기 전도성 접촉 패드를 가지는 샘플과 함께 사용하기 위한 테스트 기기로서, 상기 기기는 제어 가능한 가변 힘 선형 액추에이터; 상기 선형 액추에이터에 의해 작동되는 프로브 조립체 - 상기 프로브 조립체는 상기 샘플을 접촉하기 위한 표면을 가지는 프로브 헤드를 일 단에 가짐-; 상기 샘플 상의 상기 복수의 접촉 패드들을 전기적으로 접촉하기 위한 복수의 접점을 포함하는 이동 가능한 접촉기 조립체; 상기 선형 액추에이터 및 접촉기 조립체가 장착되는 하우징 - 상기 하우징은 테스트 동안 상기 샘플을 고정하기 위한 식별된 영역을 가짐 -; 상기 프로브의 위치의 변화를 측정하기 위한 위치 센서 조립체; 및 상기 프로브 헤드에 의해 상기 샘플에 가해진 힘을 측정하기 위한 센서를 포함한다.

Description

전하 저장 장치를 테스트하기 위한 측정 기기{A MEASUREMENT INSTRUMENT FOR TESTING CHARGE STORAGE DEVICES}

본 출원은 “A Measurement Instrument for Testing Charge Storage Devices”란 명칭의 2014년 7월 24일에 출원된 가출원 번호 62/028,431의 35 U.S.C. §119(e) 하의 이익을 주장하며, 그 전체 내용은 본원에서 참조로 원용된다.

본 발명은 일반적으로 측정하기 위한 그리고 액추에이터(actuators), 배터리, 커패시터, 슈퍼 커패시터, 울트라 커패시터, 하이브리드 커패시터(hybrid capacitors), 의사 커패시터(pseudocapacitors), 생물학적 샘플, 유전체, 겔, 액체, 고체 등과 같은 테스트 장치들을 전기적으로 기계적으로 특성화하기 위한 테스트 기기들 및 관련된 장비들에 관한 것이다.

고 에너지 밀도 저장 장치들의 개발은 힘들고 시간 소모적인 과정일 수 있다. 전형적인 에너지 저장 장치는 제1 중합체 전극, 상기 제1 전극과 전기 화학적으로 연결된 제2 전극, 상기 두 전극 사이의 분리막 재료(separator material), 및 음이온들과 양이온들로 해리될 수 있는 두 전극들과 접촉하는 전해질 또는 다른 이동상(mobile phase)을 포함할 수 있다. 이러한 요소들 각각에 대해 사용될 수 있는 많은 다른 화학 재료가 있다. 따라서, 테스트할 필요가 있을 수 있는 조합들의 가능한 수는 엄청날 수 있다. 이러한 조합들을 테스트하기 위해, 본질적으로 재료들의 각 조합에 대해 대표 장치를 구축한 다음 재료들의 조합을 특성화하기 위해 원하는 테스트 세트를 통해 그 장치를 실행해야만 한다. 따라서, 재료들의 최상의 조합은 재료들과 전해질들의 많은 다른 가능한 조합들을 나타내는 수천 가지 장치를 구성하고 전기적으로 테스트하는 것을 포함할 수 있다.

장치의 전기적 특성을 만족스럽게 측정하는 데 필요한 테스트의 요령(regimen) 또한 상당히 클 수 있다. 예를 들어, 테스트들은 커패시턴스(capacitance), 저항, 에너지 입력 대 에너지 방출(energy in versus energy out), 쿨롱 효율(Coulombic Efficiency), 에너지 밀도, 전력 밀도, 비 에너지(specific energy), 비 전력(specific power), IR 강하(IR drop), IR 이득(IR gain), 전류 밀도 등을 측정하는 것을 포함할 수 있다.

본 발명의 목적은 복수의 전기 전도성 접촉 패드를 가지는 샘플과 함께 사용하기 위한 테스트 기기를 제공하는 것이다.

본원에서 설명된 실시 예들은, 특히 서로 조합되어 사용되는 경우, 테스트 장치들을 신속하고, 효율적으로, 일관성 있고 신뢰성 있게 테스트하는 방법을 제공한다.

일반적으로, 일 측면에서, 본 발명은 복수의 전기 전도성 접촉 패드를 가지는 샘플과 함께 사용하기 위한 테스트 기기를 특별히 포함한다. 상기 기기는 제어 가능한 가변 힘 선형 액추에이터; 상기 선형 액추에이터에 의해 작동되는 프로브 조립체 - 상기 프로브 조립체는 상기 샘플을 접촉하기 위한 표면을 가지는 프로브 헤드를 일 단에 가짐-; 상기 샘플 상의 상기 복수의 접촉 패드들을 전기적으로 접촉하기 위한 복수의 접점을 포함하는 이동 가능한 접촉기 조립체; 상기 선형 액추에이터 및 접촉기 조립체가 장착되는 하우징 - 상기 하우징은 테스트 동안 상기 샘플을 고정하기 위한 식별된 영역을 가짐 -; 상기 프로브의 위치의 변화를 측정하기 위한 위치 센서 조립체; 및 상기 프로브 헤드에 의해 상기 샘플에 가해진 힘을 측정하기 위한 센서를 포함한다.

다른 실시 예들은 다음 특징들 중 하나 이상을 포함한다. 상기 선형 액추에이터는 에어 베어링 실린더(air bearing cylinder)를 포함하는 공압식 액추에이터(pneumatic actuator)이고 상기 프로브 헤드에 의해 상기 샘플에 가해진 상기 힘을 측정하기 위한 상기 센서는 상기 공압식 엑추에이터에 가해지는 가스의 압력을 측정하도록 배열된 압력 센서이다. 대안적으로, 상기 선형 액추에이터는 전자기 액추에이터이고 상기 샘플에 가해진 상기 힘을 측정하기 위한 상기 센서는 상기 샘플이 작동 중에 고정되는 상기 식별된 영역에서 상기 하우징 상에 위치된다. 상기 기기는 또한, 상기 식별된 위치 옆 상기 하우징의 일부분에 근접하여 열 통신(thermal communication)하는 적어도 하나의 도관 - 상기 적어도 하나의 도관은 테스트 동안 상기 샘플의 온도를 제어하기 위해 온도 제어된 유체를 운반하기 위한 것임-; 및 상기 샘플이 작동 중에 위치된 상기 식별된 영역 근처에 상기 하우징의 온도를 측정하기 위한 온도 센서를 포함한다. 상기 온도 센서는 서미스터(thermistor)이거나 저항성 온도 검출기(resistive temperature detector)이다.

다른 실시 예들은 또한 다음 특징들 중 하나 이상을 포함한다. 상기 위치 센서 조립체는 광학 판독 헤드(optical read head)와 마킹이 있는 스케일(scale with markings)을 포함하는 비 접촉식, 광학 위치 센서 조립체이다. 상기 광학 판독 헤드는 상기 하우징 상에 장착되고 상기 스케일은 상기 이동 가능한 프로브 조립체 상에 장착된다. 상기 복수의 접점은 스프링이 장착된 복수의 접촉 핀이다. 상기 테스트 기기는 또한 상기 샘플이 작동 중에 배치되는 곳 근처의 상기 하우징 상에 위치된 가열 요소를 포함한다. 상기 가열 요소는 펠티에 장치(Peltier device) 또는 저항성 가열기 요소(resistive heater element)이다.

본원에서 설명된 실시 예들 중 적어도 일부는 테스트 장치들에 대해 테스트를 수행하는 사람이 전기 테스트들이 수행되는 다양한 환경적 조건에 대해 정밀한 제어를 할 수 있게 한다. 예를 들어, 테스터가 제한 없이 테스트 중에 샘플에 제어된 정적 또는 동적 압력을 적용할 수 있고, 테스트가 수행되는 특정 정적 온도를 선택적으로 제어할 수 있으며, 테스트 동안 하중 적용 요소(load applying element)의 선형(수직) 변위를 정밀하게 측정할 수 있고, 샘플에 등척성 테스트(isometric test)를 수행할 수 있으며 (즉, 힘을 측정하는 동안 위치를 제어), 샘플에 등장성 테스트(isotonic test)를 수행할 수 있다 (즉, 위치를 측정하는 동안 힘을 제어).

도 1은 테스트 기기의 좌측면을 도시한다.
도 2는 우측면으로부터 도 1의 테스트 기기의 부분 단면도를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 도 1의 테스트 기기의 정면, 관련 있는 내부 특징들을 보다 분명하게 드러내기 위한 부분 단면도의 하나를 도시한다.
도 4는 도 1에서 도시된 테스트 기기의 일부인 플랫폼을 도시한다.
도 5는 대안적인 프로브 헤드 디자인(probe head design)을 도시한다.
도 6은 완전 개방 위치의 사쉐(sachet)를 도시한다.
도 7은 닫힌 구성의 도 6의 사쉐를 도시한다.
도 8은 상술된 테스트 기기를 포함하는 테스트 시스템의 블록도이다.

본원에서 설명된 테스트 시스템은 (도 1에서 도시된) 테스트 기기(100)와 테스트 기기(100)에 꼭 들어맞고 전기적 속성들이 테스트될 다른 전기화학적 재료들을 담는 (도 6에서 도시된) 특별히 디자인된 샘플 홀더 또는 사쉐(500)를 포함한다.

테스트 기기

도 1을 참조하면, 테스트 기기(100)는 샘플의 전기적 특성들을 측정하는 동안 샘플에 적용되는 압력과 샘플의 온도를 제어할 수 있다. 샘플의 전기적 특성들이 측정되는 동안 일정한 압력하에서 유지되기 때문에 테스트 기기(100)는 테스트 샘플의 물리적 팽창을 측정할 수 있다. 이러한 측정 중에 테스트 기기(100)는 테스트 샘플의 온도를 제어할 수 있다. 그리고 테스트 기기(100)는 전기 테스트 중에 그 두께가 일정한 값으로 제한되므로 테스트 샘플에 의해 생성되는 압력을 측정할 수 있다.

테스트 기기(100)는 가공된 알루미늄 지지 플랫폼(104) 상에 장착된 가공된 알루미늄 본체(102)를 포함한다. 본체(102)는 액추에이터(106)의 작동 단부에 부착된 프로브 헤드(108)의 상하 운동을 제어하는 선형 액추에이터(106)에 대한 지지를 제공한다. 액추에이터(106)는 지지 플랫폼(104)을 향해 아래로 연장되는 그 액추에이터 샤프트(actuator shaft)(112)와 본체(102)의 상부에서 나사 결합된다. 프로브 헤드(108)는 액추에이터 샤프트(112)의 단부에 나사 결합되고 작동 중에 테스트 샘플(도시되지 않음)과 접촉하는 최하단의 평평한 작업면(114)을 가진다. 액추에이터(106)는 테스트 동안 지지 플랫폼(104) 상에 평평한 오목한 영역(recessed area)(110) 내에 배치된 샘플(도시되지 않음)에 제어된 힘/압력을 가하기 위해 사용된다. 엑추에이터(106)의 세로축이 오목한 영역(110)의 평면에 수직이고 액추에이터(106)의 작동 단부에 조립될 때 프로브 헤드(108)의 작업면(114)이 오목한 영역(110)의 평평한 표면에 평행한 것을 확인하는 데 주의해야 한다. 이는 테스트 샘플에 적용되는 힘/압력이 샘플의 접촉된 영역에 걸쳐 균일함을 보장하기 위한 것이다.

설명된 실시 예에서, 선형 액추에이터는 Airpot Corporation의 Airpel Anti-Stiction® 에어 베어링 실린더(air bearing cylinder)이다. 그것은 낮은 정지 마찰(stiction)로 인해 매우 정확한 힘 제어가 가능한 공압식 액추에이터(pneumatic actuator)이다. 그것은 피스톤과 유리 실린더 사이에 에어 베어링을 가지는 붕규산 유리 실린더(borosilicate glass cylinder)와 흑연 피스톤(graphite piston)을 포함한다. 그것은 단지 몇 그램 정도의 낮은 힘과 0.2psi 미만의 압력에 반응할 수 있다. 에어 실린더에 의해 적용되는 힘은 공지의 실린더에 제공되는 공기의 압력의 함수이다. 따라서, 인라인 압력(inline pressure), 아날로그 출력 센서로 공기 압력을 모니터링함으로써, 프로브 헤드가 테스트 샘플에 적용하는 힘/압력을 쉽게 결정할 수 있다.

예를 들어, 본원에서 참조로 원용되는 “Controlled Needle-Free Transport”라는 타이틀의 U.S. 7,833,189에서 설명된 유형의 전자기 로렌츠 힘 액추에이터 같은 다른 유형의 액추에이터들 또한 사용될 수 있다. 그러나 일반적으로 수행될 필요가 있을 수 있는 테스트들의 민감도를 고려해 볼 때 낮은 정지 마찰을 가지는 이러한 유형의 액추에이터를 사용하는 것이 바람직하다. 정밀 에어 베어링 실린더의 사용은 많은 대안들에 비해 장점들을 가진다. 그것은 전통적인 선형 요소들과 전형적으로 관련된 마찰력을 최소화한다. 감소된 마찰은 결과적으로 두께 측정의 정확성을 극대화하고 장치의 동적 범위 및 민감도를 최적화한다. 또한, 장기간의 테스트는 그것들이 일관되고 균일한 힘 적용을 달성하기 위해 일반적으로 일정한 에너지 입력[즉, 전력(power)]을 요구하지 않기 때문에 공압식 액추에이터의 사용으로 이득을 얻는다. 고 대역폭 또는 큰 동적 범위의 단기간의 테스트는 로렌츠 힘 액추에이터로부터 이득을 얻을 수 있다.

본원에서 설명된 것 외의 액추에이터가 사용된다면, 테스트 기기는 또한 프로브 헤드와 액추에이터 샤프트 사이에 선택적으로 위치된 별도의 힘-감지 장치(force-sensing device)를 포함할 필요가 있을 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 2차 에어 베어링 지지 요소(116)는 액추에이터(106)의 출력단에 위치된다. 이것은 샤프트(112)가 오목한 영역(110)의 평면에 수직으로 정확히 정렬되게 유지하기 위해 정지 마찰이 거의 또는 전혀 없는 샤프트(112)에 대한 축외 강성(off axis stiffness)을 제공한다. 액추에이터(106)의 상부에는 가압된 공기가 액추에이터(106)에 제공되는 입력 포트가 있다. 이 입력 포트는 공급 라인(도시되지 않음) 상의 피팅(fitting)이 나사 결합되는 나사부(threaded portion)를 가진다. 프로브 헤드(108)는 프로브 헤드(108)의 상부로 나사결합되는 액추에이터 샤프트(112)를 둘러싸는 상부 표면상에 자석 링(120)을 포함한다. 또한, 프로브 헤드(108)는 그 상부 전방 영역에 위치되어 연장되는 리프트 암(122)을 포함한다. 리프트 암(lift arm)(122)은 테스트 기기(100)의 조작자가 새로운 테스트 샘플을 오목한 영역(110)으로 삽입하거나 테스트 샘플이 삽입된 후에 수동으로 하부 프로브 헤드(108)를 오목한 영역(110)으로부터 제거할 필요가 있을 때 수동으로 프로브 헤드(108)를 들어올리는 쉬운 방법을 제공한다. 링 자석(120)은 이러한 동작들이 수행되는 동안 프로브 헤드(108)를 업 포지션(up position)으로 유지한다.

테스트 기기(100)는 또한 프로브 헤드(108)의 후방에서 가까운 본체(102) 상에 장착된 광센서 조립체(optical sensor assembly)(124)를 포함한다. 광센서 조립체(124)는 프로브 헤드(108)의 후방에 장착된 스케일(scale)(128) 상의 마킹들(markings)을 검출하는 판독 헤드 센서(read head sensor)(126)를 포함한다. 설명된 실시 예에서, 광센서 조립체(124)는 Renishaw에 의해 제조된 TONiC™이다. 이것은 최대 10m/s의 속도와 1nm 이하의 분해능을 제공하는 초소형, 비접촉식 광학 인코더이다.

프로브 헤드(108) 상에 장착된 스케일(128)의 움직임을 감지하여, 광센서 조립체(124)는 테스트 샘플에 측정을 수행할 때 프로브 헤드(108)의 절대 위치를 정확하게 측정하는 방법을 제공한다. 따라서, 전력이 테스트 샘플에 전달될 때 또는 방전될 때 샘플이 팽창하면, 정확한 팽창량은 광센서 조립체(124)를 사용하여 측정될 수 있다. 추가로, 제어기의 도움으로, 프로브 헤드에 의해 샘플에 가해지는 압력은 테스트 샘플의 두께를 일정 최대 값으로 제한하도록 변화될 수 있다.

예를 들어, 용량성 프로브 센서 및 자기 위치 센서를 포함하여, 광센서 외에 다른 센서들이 또한 사용될 수 있다.

외부 제어 하에 액추에이터(106)로의 공기압의 공급원(supply)을 켜고 끄는 솔레노이드(130)가 본체(102)의 배면에 장착된다. 그것은 공기 공급 라인(도시되지 않음)이 연결되는 입력 포트(132)와 액추에이터(106)의 입력 포트(118)로 연결된 라인(도시되지 않음)이 부착된 출력 포트(134), 솔레노이드를 작동하기 위한 전력 입력(power input)(135)을 가진다.

도 1 및 도 4를 참조하면, 온도 제어의 목적상, 플랫폼(104)은 테스트 샘플들이 테스트를 위해 삽입되는 오목한 영역(110) 바로 아래 한쪽으로부터 다른 쪽으로 연장되는 세 개의 유동 채널(flow channel)(132)을 가진다. 각각의 유동 채널(132)의 각 단부에는 플랫폼 안으로 나사형 피팅(threaded fiting)(도시되지 않음)이 나사 결합될 수 있게 하는 나사부(134)가 있다. 플랫폼(104)의 한쪽에는, 각 채널(132)에 대한 개구를 둘러싸는 오목한 영역(136)이 있다. 이러한 오목한 영역(134)은 O-링 씰(O-ring seals)(도시되지 않음)을 수용하기 위한 것이다. 테스트 기기의 작동 중에, 가열되거나 냉각된 물이 이러한 채널들(132)을 통해 흐르게 되어 플랫폼(104)의 온도를 제어함으로써 플랫폼상에 놓은 장치의 온도를 제어한다.

도 3b 및 도 4를 참조하면, 플랫폼(104)은 후방을 관통하여 뚫고 중간 유동 채널(132)과 오목한 영역(110)의 중간 사이의 위치로 연장되는 채널(160)을 포함한다. 온도 감지 장치(161)(예를 들어, 서미스터(thermistor), 저항 온도 감지기, 서모 파일(thermo pile)/비접촉IR(IR-noncontact))가 오목한 영역(110) 아래 위치에서 채널(160) 내에 배치된다. 이 장치는 온도 감지 및 제어에 사용된다.

특히 방금 설명한 가열 및 냉각 매니폴드 조립체(manifold assembly)와 관련하여 테스트 기기의 디자인은 테스트 기기가 독립형 유닛으로 작동되거나 임의의 수의 다른 테스트 기기들과 함께 작동될 수 있게 한다. 테스트 기기가 설치되는 방법에 따라(즉, 다른 테스트 기기들과 함께 또는 독립형으로), 적합한 피팅들이 유동 채널들(132)의 말단에 있는 나사 영역(threaded area) 안으로 나사 결합된다. 테스트 기기가 독립형 유닛으로 설치되면, 온도 제어 시스템의 송수관(water line)에 대한 연결을 만들기 위한 피팅이 나사부(134) 안으로 나사 결합된다.

테스트 기기가 어레이(array)의 일부로서 설치되면, 그것들은 서로 옆에 나란히 있어서 그것들의 측면들이 인접하고 유동 채널들이 서로 정렬된다. 이 구성에서, O-링들이 유동 채널들(132) 주위의 오목한 영역(136)으로 삽입된다. 한 유닛이 이웃 유닛에 맞닿았을 때, O-링은 인접한 유닛의 플랫폼의 측벽과 접촉하여 유체가 매니폴드에서 새어나가는 것을 방지하는 씰을 형성한다. 복수의 유닛은 그런 다음 정렬(lineup) 내의 복수의 테스트 기기들의 정렬된 구멍들(146)에 삽입되는 나사형 말단을 가지는 막대들(rods)(도시되지 않음)에 의해 함께 고정된다. 이러한 나사형 막대들의 말단에서 너트들은 유닛들이 단단히 함께 붙도록 조여져서 O-링들이 이웃한 유닛들 사이의 인터페이스에서 유동 채널들에 좋은 씰을 형성한다. 이 방법으로, 장치들의 대규모 병렬 테스트를 위해 테스트 기기들의 큰 클러스터를 설치하는 것이 가능하여, 그에 따라 복잡한 복합 시스템에 대한 더 신속한 프로토타이핑 및 실험을 가능하게 한다. 또한, 개별 테스트 장치들이 용이하게 추가되거나 제거될 수 있다.

전술한 가열/냉각 매니폴드에 대한 대안으로서, 플랫폼(104) 상의 오목한 영역들(110)에 장착된 개별적인 가열 요소들(예를 들어, 펠티에 소자들(Peltier devices) 또는 저항성 히터들)을 대신 사용할 수 있다. 이러한 접근 방법이 사용되면, 더 열 전도성이 높은 플랫폼으로의 열 손실을 줄이기 위해 히터 요소들과 플랫폼 사이에 절연체를 배치하는 것이 적절할 수 있다. 추가로, 온도 센서들이 또한 테스트 장치의 온도를 정확하게 모니터하도록 히터 요소들 위에 배치될 수 있다. 개별적인 히터들을 사용하여 장치 온도가 변경될 수 있는 속도는 물과 플랫폼들(훨씬 더 높은 열 질량을 나타냄)의 온도가 변경되어야 하는 매니폴드 방법에 비해 훨씬 더 빠르다.

테스트 기기에서 테스트 샘플들에 전기 접점들을 만들기 위해, 본체(102)의 일 측면에 장착된 접촉기 조립체(contactor assembly)(138)가 있다. 접촉기 조립체(138)는 그 바닥 면에 부착된 POGO LC 접촉기들(144)의 2x8 어레이를 포함한다. 접촉기들의 패턴 및 간격은 테스트 샘플 상의 접촉 패드의 패턴 및 간격과 동일하며, 아래에 더 상세히 설명된다. 위치(144)(도 3 참조)에서 본체(102)로 나사결합하는 볼트(142)는 접촉기 조립체(138)가 그에 대해 접촉기들을 상승 및 하강시키기 위해 선회될 수 있는 샤프트를 제공한다. 조작자가 그에 의해 접촉기들을 올리거나 내리는 데 사용하기 위해 볼트(142)에 의해 설정된 피봇에 대해 수동으로 유닛을 회전하기 위해 사용하는 레버 암(140)은 접촉기 조립체로부터 위쪽으로 연장된다. 포고 핀들(pogo pins)은 접촉기 조립체가 제 위치로 낮아질 때 접촉 패드들과의 양호한 접촉을 확립하도록 비틀림 스프링들(torsion springs)에 의해 적절하게 사전 설치된다.

대안적으로 디자인된 프로브 헤드(108')가 도 5에서 도시된다. 그것은 어떤 방향으로든 소량으로 쉽게 기울일 수 있어 평행한 상부를 갖지 않을 수 있는 샘플을 수용할 수 있는 접촉 표면(114')을 가지는 이점을 가진다. 이 틸팅 능력(tilting ability)은 테스트 샘플의 표면 위에 가해진 압력의 보다 균일한 분포를 보장한다.

대안적인 프로브 헤드(108')는 테스트 중의 샘플을 접촉하는 바닥 표면(114')을 가지는 접촉기 프로브(162)를 에워싸는 하우징(160)을 포함한다. 하우징(160)은 하우징의 외부로 연장되는 접촉기 프로브(162)의 하부의 작은 부분(이것은 테스트 샘플과 접촉하는 부분임)을 제외하고 접촉기 프로브(162)가 대부분 수용되는 중공 영역을 가진다. 상단에, 접촉기 프로브(162)의 상단에 맞춘 구멍이 있다. 접촉기 프로브(162)의 바닥면(114')은 평평하고 원형이다. 접촉기 프로브(162)의 상단(164)은 원통형이며 하우징(160)의 구멍에 끼워진다. 평평한 바닥면과 원통형 상단 사이에서, 접촉기 프로브는 원뿔형이며 좁은 직경의 목부로 점점 가늘어지고 그런 다음 원통형 상단의 직경까지 되돌아옴으로써 단단한 원추형 굴곡 영역을 형성한다. 접촉기 프로브가 끼워지는 하우징(160)의 개구는 원통형이고, 프로브 헤드(108')의 평평한 원형 표면의 직경보다 약간 더 작은 내경을 가지며, 이웃한 프로브 헤드의 가늘어진 부분의 각도와 동일한 각도를 가지는 베벨 에지(beveled edge)(168)를 가진다. 좁은 원추형 굴곡 영역(166)은 헤드가 쉽게 구부러지도록 충분히 가늘고 그에 따라 프로브 헤드가 테스트 중의 샘플의 상부에서 임의의 약간의 경사를 수용하기에 충분한 양만큼 축을 벗어나 기우는 것을 허용한다. 그러나 가장 좁은 부분의 직경은 프로브 헤드가 좌굴(buckling) 또는 변형(deforming)없이 샘플을 테스트하기 위해 요구되는 최대 힘을 전송할 수 있도록 충분히 크게 디자인된다.

사쉐 (The Sachet)

도 6을 참조하면, 사쉐 또는 샘플 홀더(200)는 특정 장치 화학적 성질(particular device chemistry)의 성능을 시험하기 위한 셀을 쉽게 조립할 수 있도록 하는 구조이다. 테스트될 재료들이 샘플 홀더(500)에 배치되고, 도 7에서 도시된 바와 같이 밀봉된 패킷 또는 셀을 형성하기 위해 함께 접히며, 그 밀봉된 패킷은 다수의 전기 테스트들을 수행하기 위해 테스트 기기에 배치된다.

샘플 홀더(200)는 외부 환경 요소에 의한 오염을 방지하는 한편 그 안의 테스트 중인 재료들의 동적 움직임을 허용하는 가요성이고 고도로 불침투성인 소수성 사쉐 재료(202)(소위 폴리이미드인 켑톤 또는 PET/마일러(mylar))로 구성된다. 그것은 힌지(hinge)(206)에 의해 분리된 두 개의 대칭 부분 또는 날개(204a 및 204b)를 가진다. 설명된 실시 예에서, 힌지(206)는 천공들에 의해 정의된 선을 따라 필름이 더 쉽게 접힐 수 있도록 만드는 필름(202)을 통과하는 작은 구멍들 또는 천공들의 선형 시퀀스(linear sequence)에 의해 형성된다. 날개들 중 하나 상의 접촉 패드 탭(208)을 제외하고, 샘플 홀더(200)의 날개들(204a 및 204b)은 동일한 형태와 크기를 가지므로, 서로 위에 접혀질 때, 그것들은 서로 정렬하고 일치한다.

예시된 실시 예에서, 각 날개(204a 및 204b)의 외주는 “U”자의 바닥을 나타내는 곡선 부분을 결합하는 평행한 대향 측면을 가지는 “U”자 형상 내에 있다. 곡선 부분의 외주는 원의 부분이다. 테스트 기기(도 4 참조)의 플랫폼(104)의 오목한 영역(110)의 형상과 크기는 접촉기 조립체와 적절하게 정렬된 탭으로 테스트를 위해 정밀하고 반복 가능한 위치에 사쉐를 고정하기 위해 조립된 사쉐의 것과 동일하다는 것을 유념한다. 물론 동일한 목적을 달성하는 사쉐에 대한 다른 형상들 또한 가능하다.

중앙 영역을 완전히 둘러싸는 환상 영역(210a 및 210b)이 각각의 날개(204a 및 204b)에 있고 그 외주는 날개의 곡선 외주와 일치한다. 환상 영역들(210a 및 210b)은 필름(202)이 힌지(206)에 대해 함께 접힐 때 서로 완전히 정렬하고 일치하도록 배열되고 크기가 정해진다. 각각의 날개 상의 전체 환상 영역에 릴리스 재료(release material)(212)의 링에 의해 덮힌 감압 접착제(pressure sensitive adhesive)(PSA)가 발라진다. 설명된 실시 예에서, 접촉 접착제(contact adhesive)는 아크릴 계 3M 467MP 감압 접착제이다. 릴리스 재료 용지 링은 테스트 샘플을 조립하는 동안 취급하기 더 쉽게 만들고 임의의 이물질이 접착제에 우연히 달라붙는 것을 방지한다.

대안적인 밀봉 방법이 물론 사용될 수 있다. 예를 들어, 초음파 용접을 통한 열 밀봉이 하나의 가능성이다. 또는 다른 종류의 접착제도 사용될 수 있다. 선택은 사쉐 내에서 테스트될 재료들과 신속한 조립 요구 그리고 사쉐가 환경적으로 밀봉되어야만 하는 정도에 어느 정도 의존할 수 있다.

각각의 환상 영역(210a 및 210b)의 중심에 환상 영역과 동축으로 정렬된 큰 원형 접촉 전극들(214a 및 214b)이 있다. 접촉 전극들(214a 및 214b)은 접촉 패드를 둘러싸고 환상 영역으로부터 그것을 분리하는 링 영역(216a 및 216b)을 제외한 환상 영역 내부의 중심 영역 대부분을 커버한다.

날개들 중 하나(204a)의 측면으로 연장되는 탭(208)은 각 열에 8개의 접촉 패드들(218)을 가지는 두 개의 평행한 행들을 포함한다. 넓은 전도성 트레이스(conducting trace)(220)는 4개의 접촉 패드(218)를 중앙 접촉 전극(214a)에 연결하고 또 다른 넓은 전도성 트레이스(222)는 4개의 다른 접촉 패드(218)를 중앙 접촉 전극(214b)으로 연결한다. 넓은 전도성 트레이스들(220 및 222) 외에, 2개의 좁은 전도성 트레이스들(224 및 226)이 있으며, 하나는 접촉 패드(208)를 전극(214a)에 연결하고 또 다른 하나는 또 다른 접촉 패드(218)를 전극(214b)에 연결한다. 넓은 전도성 트레이스들(220 및 222)은 전극들(214a 및 214b)에 전력을 공급하기 위한 것이며, 이는 그 전도성 트레이스들이 넓은 이유이다. 그것들이 더 큰 전류를 운반하기 때문에, 그 저항들은 접촉 패드들(218)과 전극들(214a 및 214b) 사이의 과도한 전압 강하 및 가열을 야기하는 것을 피하기 위해 낮을 필요가 있다. 좁은 전도성 트레이스들(224 및 226)은 대응하는 전극들의 전압을 측정하기 위한 감지 트레이스로서의 역할을 한다. 전류가 거의 흐르지 않기 때문에, 상당한 전압 강하가 없을 것이고 따라서 더 좁을 수 있다.

설명된 실시 예에서 모두 6개인 미사용 접촉 패드들은 포함하길 원할 수 있는 장치 구조 내의 다른 임베드된 센서들에 연결하기 위해 사용될 수 있다. 이를 위해, 설명된 예에서, 두 개의 접촉 영역들(230 및 232)이 링(216a)에 포함되고 하나의 접촉 영역(234)이 링(216b)에 포함된다. 이러한 접촉 영역들은 결국 전기적으로 전도성 트레이스들을 통해 탭(208)상의 대응하는 패드들에 연결된다. 2개의 링(216a 및 216b)의 개방 영역 내 접촉 영역은 다른 임베디드 센서들이 연결될 수 있는 지점들을 제공한다. 이러한 미리 배선된 기준 전극 트레이스들을 사용하여 다양한 기준 요소들(예를 들어, 은, 플래티넘, 금, 구리 등)을 부착할 수 있고, 다양한 종류의 샘플 유형들을 만들 수 있으며, 동일한 테스트 장치, 전자 장치 및 사쉐를 사용하여 다양한 전기 화학 테스트 프로토콜들/절차들(예를 들어, 순환전압전류법(cyclic voltammetry), 정전류 측정(galvanostatic measurement), 정전위 측정(potentiostatic measurement), 임피던스 분광법(impedance spectroscopy) 등)을 구현할 수 있다. 예를 들어, 조정된 트레이스(calibrated trace)의 저항 측정을 통해 사쉐 온도를 측정할 수 있으며, 그 경우에 탭(208)상의 접촉 패드들(218) 중 두 개는 조정된 트레이스의 두 단부에 연결하는 데 사용될 수 있다.

밀봉된 패킷 내부에 테스트 재료를 가지는 조립된 사쉐가 테스트 기기로 삽입될 때, 탭(208)과 접촉 패드들(218)은 테스트 기기의 접촉기 암 조립체(contactor arm assembly)(138)상의 접촉기들(144)과 정렬하여, 외부 테스트 회로가 테스트 장치 및 테스트 장치로 통합되는 임의의 센서들과 연결될 수 있게 한다.

설명된 실시 예에서, 전극들과 리드들(leads)은 무전해 니켈 도금을 한 전해 구리로 만들어지고 저저항, 저부식, 저오염, 고순도 소프트 골드로 전기도금된다. 금속 영역들은 다수의 상이한, 공지된 기술 중 임의의 것을 사용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, ENIG(the Electroless Nickel Immersion Gold process)를 사용하여 제조될 수 있다. 또는 소프트 골드 전기 도금을 사용할 수 있다. 이러한 기술들 모두 니켈 층상에 형성된 금 층을 포함한다.

대안적으로, 접점들(contacts)은 알루미늄 같은 다른 금속들로 제조될 수 있다. 재료의 선택은 테스트를 위한 사쉐에 넣을 재료의 화학적 성질(chemistry)에 따라 달라질 수 있으며, 일부 재료는 다른 재료보다 특정 화학 작용(chemistry)에 노출되었을 때 분해 및/또는 부식에 보다 저항력이 있다.

테스트 샘플의 조립은 간단하고 단순하다. 날개들(204)이 펼쳐지거나 열린 위치에 있을 때, 릴리스 필름(release film)이 접착 영역으로부터 제거된다. 그런 다음, 테스트될 재료들이 전극들 중 하나에 적용된다. 장치 구조가 완전히 조립될 때, 내부에 포함된 장치를 가지는 밀봉된 패킷을 형성하기 위해 한 날개가 접선에 대해 나머지 날개 위로 접힌다. 천공된 접선을 사용하여 전극 패드들을 정렬하기 위해 특별한 지그(jig) 또는 절차를 사용하지 않고도 샘플들을 반복하여 신속하게 조립할 수 있다.

사쉐들은 테스트 샘플 재료상에 밀봉 링에 의해 가해지는 압축력을 최소화하는 목적으로 디자인될 수 있다. 예를 들어, 필름의 컴플라이언스(compliance), 접착 영역의 가장자리로부터 전극(또는 샘플 영역)까지의 거리, 및 접착 영역과 전극 사이에 심 와셔 요소(shim washer element)의 포함 가능성이 모두 샘플의 바람직하지 않은 비 평면 왜곡을 감소시키거나 방지하는 데 사용될 수 있는 디자인 파라미터 또는 특징이다.

사쉐들을 제조하기 위한 과정은 종래의 상업적으로 가용한 기술들을 사용한다. 일반적으로, 상이한 층들의 스택(stack)이 조립되고 함께 결합된다. 제1 유전체 층(예를 들어 폴리이미드 층), 다음으로 접착제 층, 그런 다음 전도성 트레이스 층, 다음으로 접착제의 또 다른 층 그리고 맨 위에 마지막 유전체 층으로 이루어진다.

설명된 실시 예에서, 사쉐는 양 날개 상에 하나의 접촉 접착제의 링을 사용하여 씰을 형성하고 두 개의 날개를 함께 고정시킨다. 그러나 일부 상황에서는, 특히 시험중의 샘플에서 사용될 수 있는 특정 전해질에 노출되었을 때 이는 충분한 밀봉을 제공하지 못할 수 있다. 두 날개를 함께 밀봉하는 더 안전하고 더 영구적인 방법은 두 개의 동심 접착제 링을 사용하는 것이다. 내부 링은 아마도 열 또는 UV로 경화되는 데 시간이 걸리는 에폭시를 사용하는 한편, 외부 링은 상술된 접착 재료를 사용한다. 외부 링은 에폭시가 경화되는 동안 조립체를 함께 고정한다. 에폭시 링은 접착제가 전해질에 노출되는 것을 방지하고 그것이 경화된 후에 두 개의 날개들을 함께 고정하는 더 강한 결합과 전해질에 의한 분해 그리고 또한 증발 및/또는 산소 또는 다른 가스 침투에 대해 더 저항성이 있는 것 모두를 제공한다.

선택적으로, 사쉐는 또한 테스트 조작자가 특정 테스트 장치와 관련된 식별 정보와 다른 관련된 데이터를 기록할 수 있는 영역을 제공하기 위해 후면에 응용된 마킹 코팅(marking coating)을 포함할 수 있다.

도 8을 참조하면, 본원에서 제시된 아이디어에 따라 구성된 테스트 기기(800)를 포함하는 완전한 시스템은 테스트 기기(800)의 에어 실린더를 작동하기 위한 공기 공급원(802)(또는 가압 가스원), 결국 그 에어 실린더에 의해 테스트 샘플에 가해지는 힘을 제어하는 에어 실린더로의 공기 흐름을 조절하는 유량 제어기(804), 테스트 샘플에 테스트 기기(800)에 의해 가해지는 힘을 측정하기 위한 압력 센서(806), 및 테스트 기기(800)로의 가스 흐름을 켜거나 끄기 위한 솔레노이드(808)를 포함한다.

시스템은 또한 테스트 동안 테스트 샘플이 놓이는 테스트 기기 플랫폼에 공급되는 유체(예를 들어, 물)의 온도를 제어하기 위한 가열/냉각 시스템(810)을 포함한다.

원하는 전기 측정을 수행하기 위해, 전기 테스트 장비(812)의 랙(rack)이 있다. 이것은 적어도 예를 들어, 장치 커패시턴스, 저항, 에너지 입력/방출, 쿨롱 효율, 에너지 밀도, 전력 밀도, 비 에너지(specific energy), 비 출력(specific power), IR 강하, IR 이득, 전류 밀도 등과 같은 수행될 전기 측정의 유형들에 적합한 다른 측정 기기들뿐만 아니라 테스트 중인 장치에 전력을 공급하기 위한 전력원을 포함한다. 전기 테스트 장비는 접촉기 조립체로 전선을 통해 전기적으로 연결되며, 접촉기 조립체는 결국 테스트 중인 장치에 전기 연결을 제공한다.

시스템 제어기(814)는 유량 제어기(804), 솔레노이드(808), 가열/냉각 시스템(810) 및 전기 테스트 장비(812)의 동작을 제어한다. 그것은 운전자의 수동 제어하에 또는 프로그래밍된 제어하에 자동으로 다양한 테스트들을 실행하고, 획득된 데이터를 로컬 메모리(816)에 관련 작동 조건들(예를 들어, 온도, 압력)과 함께 저장한다.

공기 공급원(802), 유량 제어기(804), 압력 센서(806) 및 솔레노이드(808)는 힘 제어기 즉, 프로브 헤드에 의해 테스트 샘플에 가해지는 힘을 설정하고 제어하는 서브시스템을 구성한다. 또 다른 유형의 액추에이터가 본원에서 설명된 바와 같은 에어 실린더 대신에 사용된다면 다른 구성요소들이 이러한 구성요소들을 대체할 수 있다. 예를 들어, 로렌츠 힘 선형 액추에이터가 사용된다면, 가변 전력원(또는 전류원)이 공기 공급원과 유량 제어기를 대체한다. 그리고 힘 측정이 프로브 조립체에 통합된 스트레인 게이지(strain gauge)에 의해 수행될 수 있다.

다른 실시 예들이 다음 청구 범위 내에 있다. 예를 들어, 마이크로콘트롤러 및 메모리 칩들이 또한 사쉐에 포함될 수 있어서 예를 들어, 테스트 이력, 그 재료 구성 및 심지어 대량 병렬 테스트 환경에서 최적의 실험 구현을 위해 피드백되는 데이터의 사용을 알 수 있는 지능형 장치를 만들 수 있다. 또한, 사쉐는 이미 조립된 테스트 샘플로 유체(예를 들어, 전해질)를 도입 및/또는 재도입하기 위한 중격(septa)을 포함할 수 있다.

Claims (15)

1. 복수의 전기 전도성 접촉 패드를 가지는 샘플과 함께 사용하기 위한 테스트 기기로서, 상기 기기는
   제어 가능한 가변 힘 선형 액추에이터;
   상기 선형 액추에이터에 의해 작동되는 프로브 조립체 - 상기 프로브 조립체는 상기 샘플을 접촉하기 위한 표면을 가지는 프로브 헤드를 일 단에 가짐-;
   상기 샘플 상의 상기 복수의 접촉 패드들을 전기적으로 접촉하기 위한 복수의 접점을 포함하는 이동가능한 접촉기 조립체;
   상기 선형 액추에이터 및 접촉기 조립체가 장착되는 하우징 - 상기 하우징은 테스트 동안 상기 샘플을 고정하기 위한 식별된 영역을 가짐 -;
   상기 프로브의 위치의 변화를 측정하기 위한 위치 센서 조립체; 및
   상기 프로브 헤드에 의해 상기 샘플에 가해진 힘을 측정하기 위한 센서를 포함하는, 테스트 기기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 선형 액추에이터는 공압식 액추에이터(pneumatic actuator)인, 테스트 기기.
3. 제2항에 있어서,
   상기 공압식 액추에이터는 에어 베어링 실린더(air bearing cylinder)를 포함하는, 테스트 기기.
4. 제3항에 있어서,
   상기 프로브 헤드에 의해 상기 샘플에 가해진 상기 힘을 측정하기 위한 상기 센서는 상기 공압식 엑추에이터에 가해지는 가스의 압력을 측정하도록 배열된 압력 센서인, 테스트 기기.
5. 제1항에 있어서,
   상기 선형 액추에이터는 전자기 액추에이터인, 테스트 기기.
6. 제5항에 있어서,
   상기 샘플에 가해진 상기 힘을 측정하기 위한 상기 센서는 상기 샘플이 작동 중에 고정되는 상기 식별된 영역에서 상기 하우징 상에 위치되는, 테스트 기기.
7. 제1항에 있어서,
   상기 식별된 위치 바로 옆 상기 하우징의 일부분에 근접하여 열 통신(thermal communication)하는 적어도 하나의 도관 - 상기 적어도 하나의 도관은 테스트 동안 상기 샘플의 온도를 제어하기 위해 온도 제어된 유체를 운반하기 위한 것임-; 및
   상기 샘플이 작동 중에 위치된 상기 식별된 영역 근처에 상기 하우징의 온도를 측정하기 위한 온도 센서를 더 포함하는, 테스트 기기.
8. 제7항에 있어서,
   상기 온도 센서는 서미스터(thermistor)인, 테스트 기기.
9. 제7항에 있어서,
   상기 온도 센서는 저항성 온도 검출기(resistive temperature detector)인, 테스트 기기.
10. 제1항에 있어서,
    상기 위치 센서 조립체는 광학 판독 헤드(optical read head)와 마킹이 있는 스케일(scale with markings)을 포함하는 비 접촉식, 광학 위치 센서 조립체인, 테스트 기기.
11. 제10항에 있어서,
    상기 광학 판독 헤드는 상기 하우징 상에 장착되고 상기 스케일은 상기 이동 가능한 프로브 조립체 상에 장착되는, 테스트 기기.
12. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 접점은 복수의 접촉 핀인, 테스트 기기.
13. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 접촉 핀은 스프링이 장착된, 테스트 기기.
14. 제1항에 있어서,
    상기 샘플이 작동 중에 배치되는 곳 근처의 상기 하우징 상에 위치된 가열 요소를 더 포함하는, 테스트 기기.
15. 제14항에 있어서,
    상기 가열 요소는 펠티에 장치(Peltier device) 또는 저항성 가열기 요소(resistive heater element)인, 테스트 기기.

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